强激光与粒子束
2024, 36(1): 101004
1 中国科学院 高能物理研究所，北京 100049
2 散裂中子源科学中心，广东 东莞 523803
中国散裂中子源（CSNS）靶站质子束窗位于环到靶站输运线（RTBT）与靶站交接面，起到隔离加速器高真空和靶站氦气环境的作用。随着束流功率提高，目前质子束窗单层膜结构形式已无法满足CSNS-II 500 kW的高功率需求，因此开展CSNS-II质子束窗研制，设计出双层膜中间通水的冷却结构，完成质子束窗双层膜的薄膜半径、薄膜厚度、水冷槽长度与宽度、对流换热系数等各参数对质子束窗温升与热应力的影响分析。通过冷却水需求分析得出，冷却水流速需大于15 L/min。通过质子束窗主体的流固耦合分析，消除箱体内部死水区域。最终优化后质子束窗薄膜位置最高温度47.8 ℃，薄膜位置最高热应力30.758 MPa。通过FLUKA软件对质子束窗材料的辐照损伤性能进行分析，在每年5000 h工作时长、500 kW高功率束流的辐照下，辐照损伤DPA计算值为1.285 DPA，质子束窗的安全使用寿命在7年以上。
质子束窗 热分析 流固耦合分析 辐照损伤 proton beam window thermal analysis fluid structure coupling analysis irradiation damage 强激光与粒子束
2023, 35(12): 124005
1 深圳技术大学 工程物理学院，先进材料测试技术研究中心，深圳市超强激光与先进材料技术重点实验室，广东 深圳 518118
2 深圳大学物理与光电工程学院，深圳市微纳光子信息技术重点实验室，教育部/广东省共建光电子器件和系统重点实验室，广东 深圳 518060
激光加速器可以输出具有独特品质的质子束，例如µm尺寸、ps脉冲长度和高峰值电流。强流粒子束的空间电荷力效应较强，对面向应用的束流传输提出了挑战。通过二维PIC模拟研究了激光加速后与质子速度接近的电子的影响。采用椭球模型估算空间电荷力的影响，比较不同电荷分布的差异。结果表明每束团质子数超过1010后空间电荷力显著影响质子束传输，甚至严重破坏束流品质。空间电荷力的影响在20 ps后显著减弱，离开靶约1.2 mm。
激光加速 质子束 空间电荷力 高亮度 laser acceleration proton beam space charge force high brightness 强激光与粒子束
2023, 35(2): 021004
国防科技大学文理学院物理系, 湖南 长沙 410073
随着激光技术的不断发展,特别是啁啾脉冲放大技术被提出以来,超强激光脉冲驱动的离子加速研究逐渐吸引了国内外科学家们的广泛关注,在离子能量提升、发散角控制和单能性提高等方面相继取得一系列重要进展。由激光与等离子体相互作用产生的离子束具有能量高、脉宽窄和方向性好等特点,具有许多潜在应用。本文通过回顾激光驱动离子加速的研究历程,对离子加速的主要作用机制、基本理论模型、数值模拟和实验研究等进行详细的阐述,同时对激光驱动离子加速的重要应用进行归纳总结。最后根据当前国内外大型激光装置的发展趋势,对极端光场中的离子加速进行展望。
超快光学 光学器件 超强激光 等离子体 离子加速 单能质子束
1 华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206
2 北京应用物理与计算数学研究所，北京 100094
作为航天器电源系统的重要组成部分，太阳电池需要更高的转换效率和可靠性以及更长的使用寿命。通过在太阳电池表面覆盖抗辐照玻璃盖片，可以增强太阳电池对粒子辐射的防护，延长太阳电池的服役寿命，使航天器获得可靠的能源供应。硼硅酸盐玻璃就是一种理想的太阳电池玻璃盖片材料。采用蒙特卡罗方法，结合SRIM软件模拟研究质子辐照硼硅酸盐玻璃的损伤物理机理。基于粒子与物质相互作用的理论以及基本公式，通过分析不同入射能量的质子在硼硅酸盐玻璃中的阻止本领、电离能损、位移能损、空位的产生情况，对辐照损伤的物理机制进行研究。结果表明：能量为30～120 keV的质子辐照损伤主要发生在硼硅酸盐玻璃表面；质子沉积、空位分布等均为Bragg峰型分布；电离能损是能量损失的主要部分，随入射能量的增加而增大，导致电子的电离和激发；位移能损在玻璃内部随能量降低而增大，导致硼、氧和硅等空位缺陷的产生；电离效应和缺陷的产生是硼硅酸盐玻璃色心形成的重要原因。
辐照效应 质子束 太阳电池盖片 硼硅酸盐玻璃 蒙特卡罗方法 radiation effects proton beam solar cell coverslip borosilicate glass Monte Carlo method 强激光与粒子束
2020, 32(2): 025024
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 上海科技大学物质科学与技术学院, 上海 200031
采用3D particle-in-cell(PIC)数值模拟方法, 研究高品质高能质子束经由脉冲电流螺线管传输并聚焦于远端的情况。模拟结果表明:初始时刻中心能量为250 MeV, 能散度为10%, 空间发散角小于15 mrad的质子束, 通过长度为760 mm、中心磁感应强度为10.87 T的通电螺线管, 可以被聚焦于距离质子源约2.5 m的远端, 焦斑横截面直径约为1.2 mm, 小于模拟初始时刻的1.8 mm, 质子数目的损失小于3%。研究结果表明利用通电螺线管来传输和调控高能质子束流的方案是可行的。该方案可用于优化质子束流品质, 促进激光驱动质子加速在癌症治疗等对质子束单能性和发散角要求较高的领域得到早日应用。
原子与分子物理学 强场激光物理 螺线管 PIC数值模拟 质子束 离子光学
1 中国工程物理研究院 研究生院, 北京 100088
2 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094
基于粒子云网格计算方法, 对质子束轰击靶面产生二次电子的效应进行了模拟研究, 得到了不同电场强度对质子束的品质以及其产生的二次电子的数量的影响。研究表明, 50 kV电压下, 质子束束腰宽度1.8 mm, 并有近10%的质子束打在阴极侧壁上; 150 kV电压下, 质子束束腰宽度1.2 mm。这说明, 抽取电场强度小时质子束分散, 其束流品质下降; 抽取电场强度大时质子束紧凑。通过调控抽取、加速电压, 可以有效地控制到靶质子流的聚散状况, 以及由此产生的二次电子的强度及分布。
粒子云网格 紧凑型中子管 质子束 二次电子 加速区间 particle-in-cell compact neutron tube proton beam secondary electron voltage effect 强激光与粒子束
2018, 30(6): 064002
新疆大学 物理科学与技术学院, 乌鲁木齐 830046
为了研究激光辐射压驱动的运动电场中加速质子的相关问题, 对强激光与等离子体相互作用过程进行了理论分析, 并采用2维粒子模拟方法, 对理论分析结果进行了数值模拟验证。结果表明, 当超短超强激光脉冲与处在背景等离子体前方的薄固体平靶相互作用时, 在固体靶后部形成一个由电子层-离子层组成的双层结构, 在激光辐射压的不断推进下, 双层结构在背景等离子体里以一定速度传播形成一个运动电场; 在背景等离子体中的质子被这个运动电场捕获并能加速到很高的能量, 质子的最大能量达到20GeV。理论分析结果与2维粒子模拟结果符合得很好。
激光技术 质子加速 辐射压加速 粒子模拟方法 高能量质子束 laser technique proton acceleration radiation pressure acceleration particle-in-cell simulation scheme high-energy proton beam
新疆大学 物理科学与技术学院, 乌鲁木齐 830046
研究了激光辐射压驱动的两级质子加速的相关问题。当超短超强激光脉冲与处在背景等离子体前方的薄固体平靶相互作用时, 在固体靶后部形成一个电子层-离子层组成的双层结构。在激光的不断推进下, 双层结构在背景等离子体里以一定速度传播, 可以看成运动在背景等离子体中的电场。这样, 在背景等离子体中的质子被这个运动电场捕获并能加速到很高的能量。通过二维PIC模拟方法和理论分析研究了质子加速的相关问题。研究结果表明, 被加速质子的最大能量达到20 GeV。
强激光 质子加速 辐射压加速 PIC模拟 高能质子束 intense laser proton acceleration radiation pressure acceleration particle-in-cell simulation scheme high-energy proton beam 强激光与粒子束
2016, 28(11): 112003
新疆大学物理科学与技术学院, 新疆 乌鲁木齐 830046
用二维相对论粒子模拟程序(2D-PIC)对强激光与高密度等离子体相互作用中产生的高能质子束及其传播特性进行数值模拟。数值模拟结果表明：密度梯度标长对质子能谱的影响至关重要，增大密度梯度标长厚度，靶后静电场增强，质子的最大能量显著增大；密度梯度标长对从薄靶出射的高能质子束有一定的约束作用，高能质子的加速、准直和发散强烈地依赖于强激光与等离子体之间的空间耦合。
激光光学 强激光与等离子体 高能质子束 密度梯度标长 粒子模拟方法 发散角 激光与光电子学进展
2015, 52(7): 071405
